變壓器繞組局部變形故障判斷分析

趙祥龍，宋文濤，孫 鵬，蓋 磊，劉成華

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276003）

·班組創(chuàng)新·

變壓器繞組局部變形故障判斷分析

趙祥龍，宋文濤，孫 鵬，蓋 磊，劉成華

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276003）

變壓器出口附近一旦發(fā)生短路故障，繞組必然會承受巨大的電動力沖擊，可能會發(fā)生繞組變形的情況。介紹了通過變壓器油色譜、繞組整體電容、低電壓短路阻抗、頻率響應(yīng)和直流電阻等試驗項目判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形的方法。針對一起220kV電力變壓器35kV側(cè)母線橋短路事故，說明了變壓器繞組變形故障的診斷方法和分析步驟。

繞組變形；油色譜分析；頻率響應(yīng)分析；低電壓短路阻抗；繞組整體電容；繞組直流電阻

0 引言

電力變壓器繞組變形是電力變壓器常見故障之一，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。變壓器繞組變形是受機械力和電動力的作用，繞組的尺寸或形狀發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，主要包括軸向和徑向尺寸變化、器身位移、繞組扭曲或鼓包、匝間短路等情況。隨著電力系統(tǒng)容量的增長，出口短路后造成繞組損壞事故的數(shù)量逐步上升［1］。當(dāng)變壓器發(fā)生繞組變形后，由于絕緣距離變小，當(dāng)發(fā)生過電壓時，繞組極易發(fā)生餅間和匝間短路故障；長期在運行電壓作用下，絕緣損傷積累最終導(dǎo)致絕緣擊穿，變壓器損壞；機械性能下降，當(dāng)再次遭受短路事故時，無法承受巨大沖擊力作用，變壓器損壞［2］。

1 變壓器繞組變形的診斷方法

主要通過變壓器油色譜分析、頻率響應(yīng)法繞組變形、短路阻抗法繞組變形、繞組電容和繞組直流電阻等試驗判斷變壓器繞組是否發(fā)生變形。

1.1 變壓器油色譜分析

變壓器油色譜分析是發(fā)現(xiàn)并判斷變壓器故障的有效手段，根據(jù)大量試驗，電弧放電（電流大）使變壓器油主要分解出乙炔、氫及較少的甲烷；局部放電（電流較?。┲饕纸獬鰵浜图淄椋蛔儔浩饔瓦^熱時分解出氫和甲烷、乙烯、丙烯等，而紙和某些絕緣材料過熱時還分解出一氧化碳和二氧化碳等［1］。由此可見，隨溫度的升高過程，各組分的出現(xiàn)順序為：烷烴→烯烴→炔烴。故障氣體的產(chǎn)生和故障氣體的溫度關(guān)系如圖1所示。

1.2 頻率響應(yīng)分析法

頻率響應(yīng)分析法檢測繞組變形的原理是基于變壓器的等值電路可以看成是由電阻、電容和電感組成無源二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，其中L為分布電感，K為縱向電容，C為對地分布電容。該二端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性可以用傳遞函數(shù) H（jω）來描述［1］。

圖1 故障氣體的產(chǎn)生和故障溫度的關(guān)系

圖2 繞組變形頻率響應(yīng)分析法檢測原理

一旦繞組發(fā)生變形，其內(nèi)部參數(shù)必然會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳遞函數(shù)的變化。分析變壓器繞組變形幅頻特性曲線，就能對變壓器繞組是否發(fā)生了變形進(jìn)行判斷。繞組幅頻特性是在二端口網(wǎng)絡(luò)的激勵端施加連續(xù)變化的頻率信號Ui，測量響應(yīng)端的信號Uo。幅頻特性的響應(yīng)曲線采用對數(shù)形式表述為

頻率響應(yīng)分析法判斷繞組是否發(fā)生變形，需檢測各個繞組的幅頻特性，并對幅頻特性響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，根據(jù)特性曲線差異的大小得出變壓器繞組是否變形。相關(guān)系數(shù)R的大小可以作為輔助手段判斷變壓器繞組發(fā)生變形的程度。相關(guān)系數(shù)輔助判斷變壓器繞組變形的方法如表1所示［3］。

表1 相關(guān)系數(shù)R與繞組變形程度的關(guān)系

1.3 短路阻抗法

繞組短路阻抗由繞組結(jié)構(gòu)和相對位置決定，如果故障前后繞組的短路阻抗沒有變化可以判斷繞組沒有發(fā)生變形，如果故障前后繞組的短路阻抗變化較大可以判斷繞組發(fā)生變形。DLT 1093—2008《電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導(dǎo)則》中對阻抗電壓超過4％的同心圓繞組各參數(shù)變化注意值規(guī)定為：

1）縱比：容量100MVA及以下且電壓等級220kV及以下的變壓器繞組參數(shù)的相對變化均不應(yīng)大于2％，容量100MVA以上或電壓220kV以上的電力變壓器繞組參數(shù)的相對變化不應(yīng)大于1.6％。

2）橫比：容量100MVA及以下且電壓220kV及以下的電力變壓器繞組9個單相參數(shù)的最大相對互差不應(yīng)大于2.5％，容量100MVA以上或電壓220kV以上的電力變壓器繞組9個單相參數(shù)的最大相對互差不應(yīng)大于 2.0％［4］。

1.4 繞組電容

變壓器繞組的整體電容量測試規(guī)程沒有規(guī)定，但是在測試?yán)@組及套管介質(zhì)損耗時，會檢測出電容量。變壓器繞組的等效電容電路如圖3所示，圖中C1、C2和C3分別為高壓繞組、中壓繞組、低壓繞組對地的等效電容；C12、C13和C23分別為高壓繞組對中壓繞組、高壓繞組對低壓繞組、中壓繞組對低壓繞組的等效電容。繞組的等效電容量直接反映出各繞組間、繞組對鐵芯、繞組對箱體及地的相對位置和繞組的自身結(jié)構(gòu)，當(dāng)變壓器受到短路沖擊時，繞組的幅向電動力會導(dǎo)致其高壓繞組向外擴，低壓繞組向內(nèi)收。同時，越靠近鐵芯，其受幅向電動力作用越大，相應(yīng)變形越嚴(yán)重。典型變壓器抗短路沖擊試驗結(jié)果證明，高壓繞組抗變形能力的設(shè)計裕度遠(yuǎn)大于中、低壓繞組，因此，發(fā)生短路故障后中、低壓繞組更易發(fā)生變形［5］。一般被測電容值與歷史數(shù)據(jù)相比差別大于10％，繞組可能已中度偏輕變形，大于15％時，變壓器內(nèi)部可能存在嚴(yán)重變形［6］。

圖3 變壓器繞組等效電容電路

1.5 繞組直流電阻

變壓器繞組直流電阻的試驗?zāi)康闹痪褪菣z查變壓器繞組層、匝間有無短路現(xiàn)象。QGDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定：容量為1.6MVA以上的變壓器，各相繞組電阻相間的差別不應(yīng)大于三相平均值的2％（警示值），無中性點引出的繞組，線間差別不應(yīng)大于三相平均值的1％（注意值）；容量為1.6MVA及以下的變壓器，相間差別一般不大于三相平均值的4％（警示值），線間差別一般不大于三相平均值的 2％（注意值）；同相初值差不超過±2％［7］。

2 案例分析

2016-10-09某公司220kV變電站1號主變35kV側(cè)出口短路，11∶18∶50∶222 在 1 號主變低壓側(cè) B、C 兩相出現(xiàn)差流且均大于差動定值，發(fā)生B、C兩相故障，20ms后主變保護(hù)差動保護(hù)，約23ms后故障發(fā)展為B、C兩相短路接地故障；約48ms后故障發(fā)展為三相短路故障；約80ms后主變各側(cè)斷路器跳開將故障切除。該變壓器型號為SFSZ10-180000／220。故障發(fā)生后，試驗人員對變壓器進(jìn)行了變壓器油色譜分析、繞組介質(zhì)損耗、絕緣電阻、繞組直流電阻和繞組變形等試驗。

2.1 變壓器油色譜分析

事故發(fā)生后，試驗人員立即進(jìn)行了變壓器油色譜分析試驗。本次試驗數(shù)據(jù)與上次試驗數(shù)據(jù)如表1所示。本次試驗結(jié)果顯示氫氣體積分?jǐn)?shù)為93.00μL／L，總烴體積分?jǐn)?shù)為15.61μL／L未超出注意值（注意值為 150μL／L），乙炔體積分?jǐn)?shù)為 2.36μL／L，未超出注意值（注意值為5μL／L）。與上次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比：2016-04-17油色譜數(shù)據(jù)顯示乙炔含量為零。對比結(jié)論：與上次試驗數(shù)據(jù)對比可知，氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和總烴含量均比上次試驗有明顯升高，懷疑變壓器內(nèi)部有高能量放電。

表1 變壓器油色譜分析試驗

2.2 常規(guī)試驗

檢查絕緣電阻、介質(zhì)損耗等試驗，均未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。絕緣電阻和介質(zhì)損耗試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 絕緣電阻和介質(zhì)損耗試驗數(shù)據(jù)

2.3 頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析法測量繞組變形試驗，測試頻率響應(yīng)曲線如圖4~6所示。從圖中可以看出高壓和中壓繞組A、B、C三相頻率響應(yīng)曲線吻合較好。低壓繞組頻率響應(yīng)曲線在低頻段吻合度差，低壓側(cè)b、c兩相的相關(guān)系數(shù)Rbc為1.226，低壓側(cè)c、a兩相的相關(guān)系數(shù)Rca為1.520，屬于輕度變形。

圖4 高壓繞組頻率響應(yīng)曲線

圖5 中壓繞組頻率響應(yīng)曲線

圖6 低壓繞組頻率響應(yīng)曲線

2.4 短路阻抗

高壓—低壓三相的短路阻抗分別為23.51％、23.41％、23.66％，相間最大相對誤差為1.08％，A、B、C三相的短路阻抗為23.57％，銘牌誤差為0.01％；中壓—低壓三相的短路阻抗分別為7.62％、7.50％和7.72％，相間最大相對誤差2.97％，a、b、c三相的短路阻抗為7.66％，銘牌誤差為0.16％；高—中短路阻抗分別為11.24％、11.33％、11.20％，相間最大相對誤差1.17％，Am、Bm、Cm三相的短路阻抗為11.30％，銘牌誤差為-17.81％。規(guī)程要求容量在100MVA以上或電壓220kV及以上的電力變壓器繞組三個單相參數(shù)的最大相對互差不應(yīng)大于2.0％［4］。根據(jù)試驗結(jié)果初步判斷低壓側(cè)繞組發(fā)生了變形。

2.5 繞組直流電阻

從繞組直流電阻測試數(shù)據(jù)得出，高壓、中壓繞組直流電阻與上次試驗數(shù)據(jù)沒有明顯變化，而低壓繞組直流電阻與上次試驗數(shù)據(jù)發(fā)生了明顯的變化。2016-10-09和2012-09-18主變壓器低壓繞組直流電阻數(shù)據(jù)如表3所示。單相電阻值Ra=38.86mΩ，Rb=38.88mΩ，Rc=38.13mΩ；2012年例行試驗Ra=39.02mΩ，Rb=38.80mΩ，Rc=38.66mΩ。從數(shù)據(jù)比較看，a、b相數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)變化為0.3％左右，而c相數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)變化達(dá)到了-1.3％，與上次試驗數(shù)據(jù)相比明顯變小。

表3 低壓繞組直流電阻數(shù)據(jù)

2.6 繞組電容量

繞組電容量測試結(jié)果如表4所示，由表中測試結(jié)果可以看出高、中、低三側(cè)電容量故障前后數(shù)據(jù)沒有發(fā)生明顯變化。

對變壓器進(jìn)行了局部放電試驗，從低壓逐相依次單相施加電壓，a、b相低壓繞組加壓順利通過，在對c相繞組加壓時，當(dāng)施加電壓為3kV時電流瞬間迅速增長，說明c相線圈層間或匝間絕緣損壞。綜合以上試驗分析，判斷變壓器低壓繞組發(fā)生了變形。由于現(xiàn)場條件有限，故決定變壓器返廠大修。

表4 高、中、低壓側(cè)電容量測試數(shù)據(jù)

在返廠吊罩處理時，發(fā)現(xiàn)低壓c相繞組有3處絕緣紙破損放電發(fā)生了匝間短路，并且伴有變形現(xiàn)象，如圖7所示，與試驗現(xiàn)場分析結(jié)果基本一致。驗證了變壓器油色譜分析、低電壓短路阻抗法繞組變形、頻率響應(yīng)分析法繞組變形、繞組整體電容和繞組直流電阻等試驗對變壓器繞組變形綜合判斷的準(zhǔn)確性。

圖7 c相繞組變形情況

3 結(jié)語

變壓器油色譜分析可以對變壓器內(nèi)部過熱放電等故障進(jìn)行分析診斷；頻率響應(yīng)法和短路阻抗法對變壓器繞組變形分析判斷比較有效；短路阻抗法對整體繞組變形較靈敏，頻率響應(yīng)法對某一個繞組變形比較有效；繞組電容量測試對變壓器繞組整體移位故障比較有效；繞組直流電阻對繞組匝間或餅間短路比較有效。

在變壓器發(fā)生出口短路故障后，判斷繞組是否發(fā)生變形，首先應(yīng)進(jìn)行短路阻抗法判斷繞組是否發(fā)生了變形，然后再用頻率響應(yīng)法確定是哪個繞組發(fā)生了變形。最后結(jié)合油色譜分析、繞組電容量測試和繞組直流電阻等試驗進(jìn)行綜合判斷。

在變壓器發(fā)生出口短路故障后，對各項試驗數(shù)據(jù)要認(rèn)真分析，縱橫比較，不放過任何細(xì)小的變化（如以上低壓c直流電阻雖不超標(biāo)，但縱比已發(fā)生變化）。

當(dāng)變壓器發(fā)生故障常規(guī)試驗不能準(zhǔn)確判斷時，應(yīng)增加更多的診斷性試驗項目，以便更加準(zhǔn)確的判斷故障類型和故障部位。

［1］ 陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗方法及診斷技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2］ 李凱，姚寧，趙蒙.一起變壓器繞組變形測試數(shù)據(jù)異常實例分析［J］.實驗室科學(xué)，2015，18（2）：14-16，19.

［3］ 張曉惠.電氣試驗［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］ 電力行業(yè)電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電力變壓器繞組變形的電抗法檢測判斷導(dǎo)則：DL／T1093—2008［S］.北京：中國電力出版社，2008：3-11.

［5］ 白國興.變壓器繞組徑向幾何電容的測量與估算［J］.變壓器，2007，44（1）：32-36.

［6］ 王麗君，劉勛.一起電力變壓器繞組變形的綜合分析［J］.變壓器，2011，48（6）：68-70.

［7］ 全國電力設(shè)備狀態(tài)維修與在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程：DL／T393—2010［S］.北京：中國電力出版社，2010：5-64.

Judgement of Partial Deformation Fault for Transformer Winding

ZHAO Xianglong，SONG Wentao，SUN Peng ，GAI Lei，LIU Chenghua
（State Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276003，China）

Once short-circuit accident happened near transformer output terminals，transformer windings would undertake extremely high electric shock，which may even harm the transformer winding formation.The method of judging winding deformation through the tests of transformer oil chromatography，the whole winding capacitance，the low voltage short-circuit impedance，frequency response and direct current resistance is introduced.The diagnostic method and analysis steps of transformer winding deformation failure are illustrated based on a 220kV power transformer 35kV side bus bridge short circuit accident.

winding deformation；oil chromatographic analysis；frequency response analysis；low voltage short circuit impedance；the whole winding capacitance；winding direct current resistance

TM41

：B

：1007－9904（2017）07－0068－05

2017-01-03

趙祥龍（1984），男，工程師，從事高壓電氣試驗及帶電檢測方面的工作。